Прикладная лазерная оптика - Климков Ю.М.
Скачать (прямая ссылка):
Семейство гомоцентрических пучков (модель Турыгина [36]). Одной из первых моделей лазера было представление его в виде излучающей площадки.
Излучение, состоящее из семейства (набора) гомоцентрических пучков, формируется резонаторами любого типа, если вид распределения интенсивности в сечении зеркала резонатора состоит из отдельных пятен небольшого размера. Другими словами, каждую точку излучающей поверхности можно рассматривать как источник лучей, расходящихся под углом, определяемым дифракцией. За счет осреднения множества дифракционных распределений общее распределение интенсивности в пучке будет приближаться к однородному. Семейство гомоцентрических пучков можно представить и как семейство параллельных пучков. Другими словами, в этой модели выходное зеркало лазера представляет собой излучающую площадку, а излучение ограничено телесным углом, равным расходимости пучка излучения лазера. Модель Турыгина приближенно описывает излучение твердотельных лазеров, генерация в которых возбуждается не по всему объему активного элемента, а в некоторых «элементарных» цилиндрах, излучение выходит из дискретных «пятеи» в площади выходного торца.
«Лучевой пакет» или пакет Штайера. Описание лазерного пучка в виде лучевого пакета даио, например, в работе [38]. Это лучевая (геометрооптическая) аналогия волнового гауссова пучка. Представ-
23
ление гауссова пучка в виде набора прямолинейных лучей q мально основано на том, что криволинейную поверхность ги] болоида вращения можно заменить набором прямолинейных лу огибающая которых совпадает с криволинейной поверхностью, i кономерности распространения гауссова пучка в рамках этой мод описываются с помощью законов геометрической оптики.
В современной лазерной технике используются резонаторы, ci ства излучения которых не могут быть описаны с помощью ] смотренных моделей. В этом случае свойства излучения мо; найти лишь с применением дифракционной теории.
Г л а в а 2 И
ФОРМИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ИДЕАЛЬНОЙ Я ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Я
1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ОПТИКИ Щ
Целью формирования лазерного пучка является получение задЯ ных распределений интенсивности и фазы излучения или одного Щ этих распределений. Например, при формировании диаграмм Я правленности необходимо получить заданное распределение иитЩ сивности по угловым направлениям; при фокусировании пучка н обходимо получить заданное распределение интенсивности в дан™ плоскости; при согласовании пучка с элементами оптических приоИ ров необходимо получить определенную форму волнового фроня
Формирование лазерного пучка, т. е. его преобразование, пр исходит с помощью оптических систем. Преобразование достигает! в осиовиом, за счет изменения кривизны волнового фронта (т. формы волнового фронта) иа поверхностях оптических элемент системы. В ряде случаев формирование может быть достигнуто помощью изменения амплитудного распределения (иапример, пут изготовления линзы в виде нейтрального светофильтра или с п мощью «пустых» диафрагм, т. е. за счет явления дифракции).
Средством для получения заданного распределения могут явить и аберрации оптической системы, хотя оии в большинстве случа являются препятствием для достижения цели. Таким образом, общем случае в формировании лазерного пучка оптическими сип мами участвуют поверхности оптических деталей, материал (сред; и оправы компонентов. Иногда при формировании используются д вольно сложные преобразования пучка.
Лазерная оптика — это раздел оптики, посвященный вваимоде ствию оптических элементов и систем с лазерным излучением. Им( ются в виду обычные оптические элементы и системы, т. е. компонсЕ ты, которые используются и для формирования обычного, иелазе| ного, излучения. Известно, что закономерности преобразоваии обычного излучения оптическими системами можно получить двум путями, используя волновой или геометрооптический подход. Ка было показано выше, лазерный пучок также может быть предста! леи либо волновой, либо геометрооптической моделью. Таким обра зом, и с точки зрения подходов к решению задачи лазерная оптик, не отличается от обычной. Однако свойства излучения лазеров пространственные параметры пучка существенно отличаются о
24
/ /? оптической
свойств излучения и параметров обычного излучения. Это приводит к необходимости учитывать специфику лазерного излучения при его формировании оптическими компонентами. В этом и состоит основная задача лазерной оптики.
В настоящее время основной моделью лазерного излучения является гауссов пучок. Строго говоря, для того чтобы обосновать возможность применения обычных оптических систем для формирования гауссова пучка, необходимо доказать, что гауссовский характер пучка не изменяется оптической системой. Это доказательство приведено, например, в работе [9].
Заметим, что ось лазерного пучка можно сопоставить с лучом, преломляющимся в оптических системах по законам геометрической оптики [38].
Мы иачием рассмотрение основных особенностей лазерной оптн-кн с идеальной оптической системы, т. е. системы, в которой свойства параксиальной области распространяются на все поперечное сечение пучка. Специфика перехода от параксиальной области к идеальной оптической системе в случае гауссова пучка обусловлена тем, что гауссов пучок негомоцентричен. Поэтому работа оптической системы в иепараксиальной области будет отличаться от работы в параксиальной области ие только за счет разных углов прихода лучей на первую оптическую поверхность, но и за счет того, что центр кривизны волновых фронтов для параксиальной и непараксиальной областей не один и тот же. Известно, что отступления от работы в параксиальной области характеризуются аберрациями, а если свойства параксиальной области распространяются на все поперечное сечеиие оптической системы, то аберрациями пренебрегают. В лазерной оптике к аберрациям оптической системы добавляются аберрации, связанные с негомоцентричиостью пучка. В центрированной оптической системе иегомоцентричиость пучка можно трактовать как наличие сферической аберрации пучка (рис. 8). Как следует из рисунка, на высоте h пересечения крайнего луча с оптической поверхностью радиусом RB центр кривизны волнового фронта смещается относительно центра кривизны волнового фронта осевого луча на величину 6s, которую можно трактовать как сферическую аберрацию лазерного пучка. Величину 6s можно выразить как
